本文關(guān)鍵詞：基于全光譜k分布模型的輻射換熱計(jì)算方法

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【摘要】：在高溫氧化反應(yīng)過(guò)程中,輻射換熱是最重要的傳熱方式,并且與湍流、燃燒等物理化學(xué)過(guò)程緊密耦合。因此,準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)輻射換熱變得尤為關(guān)鍵。然而不同于其它傳熱方式,輻射換熱是一個(gè)包含有介質(zhì)間輻射能發(fā)射、吸收、散射、透射和反射的復(fù)雜過(guò)程,并且介質(zhì)本身的輻射特性又會(huì)表現(xiàn)出強(qiáng)烈的光譜選擇性,這些無(wú)一例外都增加了對(duì)輻射換熱進(jìn)行精確計(jì)算的復(fù)雜程度,于是出現(xiàn)了各種近似的模型和方法來(lái)簡(jiǎn)化輻射換熱的分析計(jì)算。在這些模型中,全光譜k分布(FSK)模型由于其優(yōu)異的計(jì)算性能而成為了最具有應(yīng)用前景的輻射換熱分析模型,但是該模型仍然存在一些亟待解決的應(yīng)用問(wèn)題,如在非均相介質(zhì)中精度不高,k分布的混合效率低下等。因此,論文以FSK模型為核心,重點(diǎn)研究存在輻射吸收性介質(zhì)的輻射換熱過(guò)程,旨在建立高效高精度的輻射換熱模型與計(jì)算方法。首先,基于FSK模型的理論原理,論文重點(diǎn)研究了求積方法和求積節(jié)點(diǎn)數(shù)對(duì)該模型計(jì)算精度的影響,并分別在不同的非灰氣體工況下分析了一維平行平板間介質(zhì)的輻射源項(xiàng),同時(shí)應(yīng)用三種不同的高斯型求積方法進(jìn)行求解,所得結(jié)果與逐線法進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明,FSK模型的計(jì)算精度不受高斯型求積方法類型的影響,當(dāng)求積節(jié)點(diǎn)數(shù)大于或等于16時(shí),應(yīng)用論文中提到的任何三種高斯型求積方法之一都會(huì)獲得滿意精度的解。其次,論文構(gòu)建了不同狀態(tài)下以CO_2、H_2O和CO三種輻射吸收性介質(zhì)為主的氣體全光譜檢索庫(kù)。其中,混合氣體的k分布直接由三種氣體的線性吸收系數(shù)和求得,避免了k分布的直接混合,節(jié)省了大量的計(jì)算時(shí)間。論文全面地介紹了生成檢索庫(kù)的方法,包括基于壓力的吸收系數(shù)的生成和k分布的生成。氣體全光譜檢索庫(kù)應(yīng)用了六維線性插值來(lái)高效準(zhǔn)確地獲取任一狀態(tài)下混合氣體的輻射吸收特性。為了驗(yàn)證所構(gòu)建的氣體全光譜檢索庫(kù)的準(zhǔn)確性,論文對(duì)大量的輻射換熱算例進(jìn)行了考核計(jì)算。結(jié)果表明,和基準(zhǔn)解逐線法相比,氣體全光譜檢索庫(kù)完全可以滿足輻射換熱的計(jì)算精度要求并且計(jì)算效率顯著提升。再次,由于在大多數(shù)燃燒過(guò)程中不可避免地會(huì)生成具有強(qiáng)烈輻射吸收特性的煙炱,而氣體-煙炱混合物的全光譜k分布無(wú)法直接由氣體全光譜k分布得到,因此氣體全光譜檢索庫(kù)無(wú)法應(yīng)用在氣體-煙炱混合物中而使其應(yīng)用受到了極大的限制。為了解決這一弊端,論文在已構(gòu)建的氣體全光譜檢索庫(kù)的基礎(chǔ)上,增加了一個(gè)煙炱體積分?jǐn)?shù)并對(duì)該檢索庫(kù)進(jìn)行了完善優(yōu)化,構(gòu)建了全新的氣體-煙炱全光譜檢索庫(kù)。該檢索庫(kù)的驗(yàn)證是通過(guò)對(duì)兩個(gè)不同的火焰進(jìn)行輻射換熱校核,計(jì)算結(jié)果表明無(wú)論對(duì)于氣體混合物還是氣體-煙炱混合物,與逐線法獲得的基準(zhǔn)解相比,使用全新的氣體-煙炱全光譜檢索庫(kù)可高效地得到精確的計(jì)算結(jié)果。在研究過(guò)程中發(fā)現(xiàn),全光譜k分布的k值取值范圍覆蓋若干數(shù)量級(jí),通�？梢詮�10-10量級(jí)變化至102量級(jí),如此劇烈的變化極大地增加了對(duì)k分布進(jìn)行精確積分的難度。一般情況下,不同的求積方法均會(huì)在計(jì)算k分布積分時(shí)產(chǎn)生一定的誤差;雖然伴隨著求積節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加,誤差會(huì)漸趨減小,但計(jì)算時(shí)間也會(huì)相應(yīng)地增加。論文通過(guò)對(duì)求積節(jié)點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)變換,在求積節(jié)點(diǎn)數(shù)不增加的前提下,有效地提升了全光譜k分布模型的計(jì)算精度。為此,論文對(duì)已開發(fā)的全光譜檢索庫(kù)進(jìn)行了更新,將對(duì)應(yīng)于變換后求積節(jié)點(diǎn)的k值也存入了檢索庫(kù)。最后,為了解決目前全光譜k分布模型與光子蒙特卡洛法結(jié)合的輻射求解算法(FSK/PMC)所存在的弊端,包括隨機(jī)數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)需要根據(jù)參考狀態(tài)來(lái)構(gòu)建以及應(yīng)用于非均相介質(zhì)環(huán)境中可能會(huì)產(chǎn)生較大的誤差,論文提出了兩種不同的隨機(jī)數(shù)關(guān)系式用來(lái)決定光束追蹤過(guò)程中的光譜變量和k值,并構(gòu)建了氣體-煙炱隨機(jī)數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)(包含CO_2,H_2O,CO和煙炱)。應(yīng)用不同的隨機(jī)數(shù)關(guān)系式,論文使用FSK/PMC求解算法并結(jié)合隨機(jī)數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)和全光譜檢索庫(kù)計(jì)算了兩個(gè)縮放火焰的輻射源項(xiàng)。結(jié)果表明,雖然FSK/PMC的計(jì)算效率并沒(méi)有提升(這主要是由蒙特卡洛法自身的機(jī)理所決定),但論文提出的任意一種隨機(jī)數(shù)關(guān)系式均可以使FSK/PMC求解算法在非均相介質(zhì)中獲得較高的計(jì)算精度,因此也進(jìn)一步拓展了 FSK模型的應(yīng)用范圍。
【學(xué)位授予單位】：北京交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TK124

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中國(guó)博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前1條

1 王超俊;基于全光譜k分布模型的輻射換熱計(jì)算方法[D];北京交通大學(xué);2016年

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本文編號(hào)：1142482